光通信用垂直腔面发射激光器的进展

2019-11-03 18:23:25

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供稿：网友

王　青2，赵路民3，宁永强2，秦　莉2，晏长岭2，王立军1，2

1.中国科学院激发态物理开放实验室，吉林长春130021；

2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130022；

3.吉林大学电子科学与工程学院，吉林长春130026

　　摘要：垂直腔面发射激光器（VCSEL）以其优异的性能有望成为信息时代的新光源.文章介绍了用于光通信的VCSEL的开发现状.

　　关键词：垂直腔面发射激光器；分布式布拉格反射；微电子机械系统；波分复用；光通信

　　微电子学的极大成功将人们带入了信息时代，而光子技术的出现，则有望使信息技术发展到一个高峰.光源作为光子技术的关键，更是科学研究和企业生产的热点.由于垂直腔面发射激光器(VCSEL)优异的性能，从1979年Iga提出VCSEL思想至今，研究单位和科学家们已经从材料体系、结构、器件性能和波长范围方面做了长期深入的研究.特别是近年来，由于人们对超长距离、超高速、超大容量的光纤网络和高性能、低成本的光互连网络不断提出更的要求，从而极大推动了VCSEL的发展.虽然目前通信市场萎缩，但据美国ElectroniCast公司最近预测，全球用于光通信的VCSEL激光收发机的需求量在未来5年内仍将以每年35%的速率递增，到2006年将达到20亿美元.

　　本文将对光通信用VCSEL的开发现状及应用进行介绍.

　　1　VCSEL的结构和特点

　　1.1　VCSEL的结构

　　典型的VCSEL由高反射率（＞99%）分布式布拉格反射(DBR，Distributed Bragg Reflectors)镜面、有源层和金属接触层组成.量子阱有源层夹在n-DBR和p-DBR之间.DBR反射镜由光学厚度为λ/4的高折射率层和低折射率层交替生长而成.VCSEL图1VCSEL的结构示意图器件常制作成圆形、方形和环形结构，分别在衬底和p-DBR的外表面制作金属接触层，并在p-DBR或n-DBR上制成一个圆形出光窗口.图1为VCSEL的结构示意图.

　　1.2　VCSEL的特点

　　VCSEL与传统边发射激光器不同的结构带来了许多优势：小的发散角和圆形对称的远、近场分布使其与光纤的耦合效率大大提高，现已证实与多模光纤的耦合效率竟能大于90％；VCSEL的光腔长度极短，导致其纵模间距拉大，可在较宽的温度范围内实现单纵模工作，动态调制频率高；腔体积减小使得其自发辐射因子较普通端面发射激光器高几个数量级，这导致许多物理特性大为改善；可以在片测试，极大地降低了开发成本；出光方向垂直衬底，可实现高密度二维面阵的集成；最吸引人的是它的制造工艺与发光二极管（LED）兼容，大规模制造的成本很低.

　　2　VCSEL的研究水平及应用

　　2.1　650～670 nm波段

　　这个波段的VCSEL可应用在基于塑料光纤的数据通信系统中，因为塑料光纤在650 nm处有最小吸收，而在670 nm处吸收是其两倍.目前这些波段的VCSEL尚处于研究阶段，主要存在以下困难：由于有源区材料是InGaP/InGaAlP，而这个体系的能量势垒相对较低，温度升高时，载流子容易泄出量子阱有源区，这会降低注入效率和光功率.器件使用中，AlGaAs DBR的较大热阻又导致了结温的升高.所以目前研究主要集中在提高器件使用温度方面，例如采用衬底减薄和使用厚金属接触层做热沉的办法.最近，M.Zorn等人在MOVPE生长过程中，引入所谓的现场(In-Situ)监测技术，采用了氧化物限制电流注入结构，使器件在输出功率和温度特性上都有了很大改善，激射波长在650 nm的器件最高输出功率超过4 mW，最高使用温度达到65 ℃；激射波长在670 nm的器件最高输出功率10 mW，最高使用温度87 ℃[1].

　　2.2　850 nm波段

　　由于AlAs/GaAs DBR的高反射率、高热传导率和良好的导电特性，以及AlAs氧化技术的开发，850 nmVCSEL技术已经相当成熟，批量生产成本较低.由于其优异的性能，850nm的VCSEL已经主宰了单通道短距离光学互连的市场，如IEEE 802.3千兆以太网1000 Base-Sx系列标准中就采用低成本850nmVCSEL作为光源.用在并行传输多通道发送机模块中的一维VCSEL阵列也有产品进入市场.

　　最近，这个波段的VCSEL的研究又有了新的进展.台湾清华大学Wen-Jang Jiang等人在提高器件输出功率和使用温度方面做了许多工作：制成的器件结构示意图如图2所示，采用环形结构，环形沟道由干法刻蚀获得，深度大约5μm，然后用电子束蒸发的办法在沟道内填充金属铝，铝的作用有两个：(1) 连接欧姆接触层和键合层的Ti-Au连线需要跨过环形沟道，如果沟道不填充，连线容易断；(2) 金属铝的反射率远高于空气，可以做横向的反射镜，减小横向的光学损失.采用这种方法制成的器件有着高的输出功率和良好的温度特性.有源区孔径15μm的器件激射波长850nm，最高输出功率12.5mW，最大微分量子效率为50%，在80 ℃工作时最大输出功率8.11mW[2].

　　2.3　长波长1 300、1 550 nm波段

　　850 nm VCSEL的成功，使人们极力去开发适合长距离、低损耗光纤通信的1300、1550nm波长的VCSEL.其中，1300nm是硅基光纤的最小色散窗口，而1550nm则是硅基光纤的最小损耗窗口.

　　长波长VCSEL的研究，可以追溯到最早的面发射激光器，使用的是GaInasp/InP体系.虽然研究时间很长，但由于存在很多问题，器件水平不如850 nm区.主要有以下几个原因：(1)价带间吸收较大；(2) 俄歇电子复合电流大；(3) 流向量子阱势垒几包层的漏电流大；(4)体系DBR折射率差太小，需要多层，热导率也很小，难以高温操作.虽然可以通过晶片融合技术使用GaAs基的DBR做出性能不错的器件，但不能一次生长，批量生产工艺复杂，不如单片一次生长.

　　科学家们通过引入各种技术和开发新材料、新工艺，在长波长带的VCSEL方面也取得了很大进展，器件性能水平有了很大提升.德国Walter Schottky研究所的Gerhard Boehm等人通过引入掩埋隧道结(BTJ，Burried Tunnel Junction）技术，使用AlGaInAs有源区、AlInAs/AlGaInAs DBR和介质DBR（CaF2/ZnS）混合，制成了性能不错、波长范围1.3～2 μm的InP基的器件.激射波长1.3μm时最大功率为0.43 mW；激射波长1.55 μm时最大功率为7mW，80 ℃时最大功率为0.5 mW，最高使用温度110 ℃，单模调制频率达到10 Gbit/s[3].器件结构如图3所示.

　　

　　近几年，GaAs基的InGaAsN作为一种长波长通信用新材料，受到科学家们的广泛关注.InGaAsN／GaAs有着非常好的电子限制，导带差大于300meV，因此特征温度T0可望有显著的提高（超过150 K）.当In原于引入GaAs形成GaInAs合金时，晶格常数将增大，禁带宽度将减小.而当N原于引入GaAs形成GaNAs合金时，晶格常数将减小，禁带宽度将减小.因此，调整InGaAsN中In与N的含量，可以得到与GaAs晶格匹配的直接带隙材料或应变量子阱材料，而其波长范围可从1.0 μm覆盖到2.0μm.更为优越的是这个体系可以用AlAs/GaAs DBR，也可以引入AlAs氧化技术限制电流来降低阈值电流，并能一次生长，而且无须用介质DBR，有望制成高性能的器件.美国圣地亚国家实验室的J.F.Klem等人报道了室温下连续工作的器件，工作波长为1247～1289nm，微分效率最高达到0.24 W/A，最高激射功率2.1 mW，连续波激射最高温度105 ℃[4].可见，InGaAsN是一种极有前途的新材料，当前要解决的问题是搞清楚材料的物理特性，研究高质量的外延生长方法，根据需要选择最佳合金组分（In和N的组分），这些都是制作高质量器件的保证.

　　3　VCSEL的功能集成

　　从集成的观点来看，VDSEL有以下几个优点：（1）占用面积小.一个器件大小为几到几十μm，与条形激光器的300μm相比更小.（2）从周围的各个方向都可以存取，而条形激光器只限于两侧，且其大小受谐振腔的长度限制.（3）层叠后再集成，可充分利用谐振腔的垂直特征（4）可构成二维阵列.

　　目前，各种与VCSEL有关的集成功能器件层出不穷，极大地扩展了其应用范围.

　　3.1　可调谐波长的VCSEL

　　单片可调谐波长的VCSEL也可以应用于WDM系统中.已经有采用微机械调谐(Mi-T，Micro-machined Tunable）和微电子机械系统(MEMS，Micro-Elecro -Mechanical-Systems)技术的可调波长VCSEL的报道.图4是采用MEMS技术的单片可调谐波长VCSEL的结构示意图.通常，器件主要由底部DBR、量子阱有源区和顶部DBR组成.而顶部DBR包括3个部分，按由下往上的顺序分别为顶部p-DBR、空气隙和顶部n-DBR.顶部n-DBR通过可升降的机械臂悬在顶部p-DBR上方，空气隙由干法刻蚀得到.调节波长时，向顶部的n-DBR和p-DBR加反向偏压，则n-DBR就会被吸向p-DBR，这样，腔长就被缩短，激射波长就会蓝移，从而达到调谐波长的目的[5].

　　3.2　和光纤耦合的模块化

　　光通信中光源发出的光总要耦合进光纤后传输，而激光到光纤（Laser-to-Fiber）的耦合模块则可以简化耦合过程，增强耦合效率，提高耦合的可靠性.现有的商用耦合模块虽然有高的耦合效率，但制造过程非常耗时，而且需要外部机器进行耦合对准，不能满足标准封装技术的要求.目前，人们提出了很多新的准直概念以满足低成本的封装技术，主要使用V型槽和焊锡的自调整功能来控制激光器和光纤的对准.由于VCSEL在耦合时有体积小、光束直的特点，结合MEMS技术进行准直，有望做出性能优良的器件.下面介绍一种有代表性的制作方法.

　　如图5所示，耦合模块由3部分组成：VCSEL、MEMS平台和光纤.其中，MEMS平台还包含一个热激励的微反射镜.VCSEL使用倒装片技术焊在MEMS平台上，微反射镜在其下方，光纤放在V型槽内，VCSEL发出的激光经过反射镜反射耦合进光纤，整个对准过程由MEMS技术控制，无需外力.用这种方法制成的耦合模块耦合效率可以达到80%[6].由于所有的制作过程均与现有的MEMS技术和光电子封装技术兼容，所以用这种方法可实现大规模生产的自动化，很有商业前景.

　　4　结束语

　　VCSEL发展到今天，从器件性能到覆盖波长，从实验研究到工业应用，各方面都显示出它作为新一代半导体光源的潜力，可以说，面发射激光器是未来实现大规模的并行光处理所必须的器件.作为单个器件，它本身可在极低阈值下工作，并有单一波长，圆形的窄输出光束，可以高速调制.若集成成二维面阵，则可实现多波长阵列，高功率阵列，并能大量生产，而且由于利用MEMS技术使层叠集成成为可能，新的器件可能会不断出现.随着外延生长技术的不断提高，对材料物理特性研究的不断深入，以及新材料、新结构的不断应用，VCSEL定会有光辉的未来，成为光子信息时代的新型光源.

　　参考文献

　　［1］Zorn M，Knigge A，Zeimer U，et al.MOVPE growth of visible verticalcavity surfaceemitting lasers (VCSELs) [J].J.Crystal Growth，2003，248：186-193.

　　［2］Jiang WenJang，Chen LungChien，Wu MengChyi，et al.A new PRocess to improve the performance of 850 nm wavelength GaAs VCSELs [J].J.Solidstate Electron.，2002，46：2287-2289.

　　［3］Gerhard Boehm，Markus Ortsiefer，Robert Shau，et al.InPbased VCSEL technology covering the wavelength range from 1.3 to 2.0 μm [J].J.Crystal Growth，2003，251：748-753.

　　［4］Klem J F，Serkland D K，Geib K M. Advances in 1300 nmInGaAsN Quantum Well VCSELs [J].Proc.SPIE，2002，4646：137-144.

　　［5］Decai Sun，Kner P，Boucart J，et al.Electricallypumped directlymodulated 1 550 nm tunable VCSELs [J].Proc.SPIE，2002，4905：198-202.

　　［6］Koji Ishikawa，Zhang Jianglong，Adisorn Tuantranont，et al.An integrated microoptical system for VCSELtofiber active alignment [J].Sensors and Actuators A，2003，103：109-115．

　　
摘自　光通信研究

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